6. Cấu trúc luận văn
1.3.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng của CdS và CdS biến tính trong
lĩnh vực xúc tác quang
Trong lĩnh vực quang xúc tác, CdS đã thu hút đƣợc sự chú ý rộng rãi do nó có năng lƣợng vùng cấm khoảng 2,42 eV và cực đại hấp thụ là 514 nm. Do đó, CdS có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng tử ngoại có bƣớc sóng nhỏ hơn 514 nm, điều này làm cho CdS sở hữu hiệu suất xúc tác quang tuyệt vời trong việc tạo ra nhiên liệu và làm sạch môi trƣờng.
Nhiều công trình nghiên cứu đã tổng hợp các cấu trúc CdS nano với nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn nhƣ dây nano, sợi nano, ống nano và hình cầu có kích thƣớc micro/nanomet [31, 32]. Kích thƣớc, hình dạng và cấu trúc của các tinh thể nano bán dẫn có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể trong sự tái kết hợp của các điện tử và lỗ trống quang sinh. Điều này rất quan trọng trong việc quyết định các đặc tính quang học của chúng. Zhang và cộng sự đã báo cáo quá trình tổng hợp CdS có cấu trúc nano giống hoa bằng phƣơng pháp thủy nhiệt với thiourea làm nguồn lƣu huỳnh [33]. Qing Xia và cộng sự đã tổng hợp thành công một loạt các nano đa tinh thể giống quả óc chó ba chiều (3D) cadmium sulfide (CdS) bằng phƣơng pháp nhiệt điện với polyvinylpyrrolidone (PVP) làm chất ổn định [34].
Một số tác giả khác [35] đã tiến hành phƣơng pháp pha dung dịch đơn giản, linh hoạt để tổng hợp vi cầu CdS chất lƣợng cao. Tỷ lệ cadmium nitrate
so với thioacetamide và thời gian phản ứng là các thông số quan trọng để điều chỉnh các đặc tính của vi cầu. Tuy nhiên, vật liệu CdS dễ bị ăn mòn quang làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Có ba nguyên nhân gây ra sự ăn mòn quang của CdS: (i) các ion lƣu huỳnh dễ dàng kết hợp với các lỗ tạo quang và bị oxy hóa thành lƣu huỳnh, (ii) Các lỗ tạo quang trên bề mặt của các hạt CdS dƣới sự chiếu xạ dễ dẫn đến sự ăn mòn cực dƣơng trong quá trình phản ứng có xúc tác, (iii) Có nhiều khuyết tật trên bề mặt của chất xúc tác quang CdS do quá trình quang xúc tác tạo ra [36]. Những khiếm khuyết này góp phần làm cho các cặp lỗ trống - electron đƣợc tạo quang bị giữ lại và gây ra các phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt CdS trong điều kiện hiếu khí.
Ăn mòn quang đã hạn chế đáng kể việc sử dụng CdS. Tuy nhiên, nó có thể bị ức chế và độ ổn định của CdS có thể đƣợc cải thiện bằng cách kết hợp một lớp oxide, kết hợp với các vật liệu khác (vi xốp và trung tính), kết hợp với kim loại/phi kim loại, tạo chất phủ bề mặt của CdS, hình thành dị liên kết, điều chỉnh hình thái học, kết hợp chất xúc tác [37].
Duan và cộng sự đã đƣa ra khái niệm về lớp vỏ nano đa lớp xúc tác quang để sản xuất xúc tác quang H2 bằng cách tách nƣớc [38]. Các thông số quang học của vật liệu Ag /SiO2/CdS đã đƣợc khảo sát và họ xác nhận rằng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu lai này đƣợc tăng cƣờng đáng kể thông qua thiết bị LSPR. Kundu và cộng sự [39] đã điều chế các hình thái khác nhau của CdS và sử dụng chúng để tạo ra H2 quang điện hóa. Họ cho rằng hoạt động tăng cƣờng của các vi cầu CdS chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng hơn là diện tích bề mặt. Phân tích sâu hơn về các hình thái này cho thấy rằng các vi cầu chủ yếu đƣợc cấu tạo từ các cấu trúc một chiều (1D). Hơn nữa, kết quả khẳng định rằng các ống nano và thanh nano thể hiện hoạt động tốt hơn các dây nano và sợi nano. Liu. và các đồng nghiệp đã tìm cách pha tạp CdS với Mn2+
và nhận thấy rằng pha tinh thể, độ rộng vùng cấm và hình thái của CdS vẫn còn nguyên vẹn [40].
Hàm lƣợng pha tạp 0,5 wt% tăng gấp đôi tốc độ tạo H2 so với CdS tinh khiết. Các ion Mn2+ đóng vai trò nhƣ các vị trí bẫy nông để phân tách cặp lỗ điện tử. Hơn nữa, giá trị hiệu suất lƣợng tử biểu kiến (AQY) đạt 5% cho thấy rằng hoạt độ quang của CdS có thể đƣợc tăng cƣờng bằng cách pha tạp Mn2+
.
Liang và cộng sự đã điều chế một số hạt nano lõi/vỏ MoS2/CdS bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt, sử dụng L-cystine làm nguồn lƣu huỳnh, cho thấy hoạt độ quang đƣợc cải thiện so với CdS tinh khiết [41]. Ngoài ra, Du. và các cộng sự đã đề xuất cơ chế cho vật liệu dị thể CdS/ZnS là di chuyển điện tích và cơ chế điện hóa [42].
Nhƣ vậy, các nghiên cứu trên đã cho thấy rằng điều kiện tổng hợp CdS khá phức tạp và phƣơng pháp tổng hợp quyết định đến hình thái cũng nhƣ tính chất của vật liệu. Mặt khác, việc kết hợp CdS với một chất khác đã làm tăng đáng kể hiệu quả quang xúc tác của vật liệu trong vùng ánh sáng khả kiến. Chính vì vậy, việc tìm ra một phƣơng pháp đơn giản, dễ thực hiện để tổng hợp vật liệu mới trên cơ sở CdS luôn đƣợc khuyến khích.